Реликтовое излучение Вселенной

Опираясь на теорию космологического расширения А. А. Фридмана и общие законы физики, Г. А. Гамов выдвинул в 40-е годы предположение о том, что в далеком прошлом Вселенной ее вещество было не только очень плотным, но и очень горячим! Эта идея нашла прочное наблюдательное подтверждение в 1965 г., когда А. Пензиас и Р. Вилсон обнаружили существование реликтового излучения. Оказалось, что вся Вселенная заполнена радиоволнами миллиметрового диапазона, распространяющимися равномерно.

    Квантовая теория уже давно установила, что всякое электромагнитное излучение проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства, примирив и согласовав, таким образом, издавна соперничавшие в физике взгляды на природу света. О космических радиоволнах тоже можно говорить и как о совокупности частиц, квантов электромагнитного излучения, называемых фотонами. Этот 'фотонный газ' равномерно заполняет всю Вселенную. Температура газа фотонов близка к абсолютному нулю - около 3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нем, больше световой энергии, испущенной всеми звездами за время их жизни. На каждый кубический сантиметр пространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, а полное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов раз больше полного числа частиц вещества, т. е. атомов, ядер, электронов, из которых состоят планеты, звезды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселенной называют, вслед за И. С. Шкловским, реликтовым, т. е. остаточным, оно действительно представляет собой остаток, реликт плотного и горячего начального состояния Вселенной.
    Возможность обнаружения реликтового излучения на фоне излучения галактик и звезд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова, выполненными по предложению Я. Б. Зельдовича в 1964 г., за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона. Известно, что нагретое вещество всегда излучает фотоны, оно светится. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление к равновесному состоянию, при котором достигается, так сказать, насыщение: рождение новых фотонов компенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так что полное число фотонов в среде не меняется. При таком термодинамическом равновесии вещества и излучения средняя энергия фотона пропорциональна температуре, а концентрация фотонов, т. е. их число в единице объема, пропорциональна кубу температуры. Предположив, что вещество ранней Вселенной было горячим, Гамов предсказал, что фотоны, которые находились тогда в термодинамическом равновесии с веществом, должны сохраниться в современную эпоху. Эти фотоны и удалось непосредственно обнаружить в 1965 г. Испытав общее расширение и связанное с ним охлаждение, газ фотонов образует сейчас фоновое излучение Вселенной, приходящее к нам равномерно со всех сторон. Квант реликтового излучения не имеет массы покоя, как всякий квант электромагнитного излучения, но обладает энергией, а следовательно, по знаменитой формуле Эйнштейна Е=МС2, и массой, соответствующей этой энергии. Для большинства реликтовых квантов эта масса очень мала: гораздо меньше массы атома водорода - самого распространенного элемента звезд и галактик. Поэтому, несмотря на значительное преобладание по числу частиц, реликтовое излучение уступает звездам и галактикам по вкладу в общую массу Вселенной. В современную эпоху плотность излучения составляет 310-34 г/см3, что приблизительно в тысячу раз меньше усредненной плотности вещества галактик. Но так было не всегда - в далеком прошлом Вселенной фотоны давали главный вклад в ее плотность. Дело в том, что в ходе космологического расширения плотность излучения падает быстрее плотности вещества. В этом процессе убывает не только концентрация фотонов (в том же темпе, что и концентрация частиц), но уменьшается и средняя энергия одного фотона, так как при расширении падает температура газа фотонов.
    Плотность энергии излучения есть произведение средней энергии кванта на их концентрацию; массовая плотность излучения получается делением плотности энергии на квадрат скорости света. Если восстановить плотность излучения в отдаленные эпохи в прошлом, то окажется, что в первый миллион лет космологического расширения она превосходила плотность вещества. В эту раннюю эпоху, которую естественно назвать эпохой преобладания излучения, тяготение космической среды, а, следовательно, и вся ее динамика определялась излучением. При переходе от стадии преобладания излучения к стадии преобладания вещества плотность Вселенной составляла приблизительно 310^-22 г/см³. Космологическая теория указывает закон, по которому изменяются все расстояния и длины во Вселенной. Оказывается, что сначала расстояния и длины увеличиваются пропорционально корню квадратному из времени, а затем, после момента равенства плотностей вещества и излучения, они увеличиваются несколько быстрее - как время в степени 2/3. В обе эти эпохи расширение происходит с замедлением, в чем и проявляется действие собственного тяготения среды. Без этого торможения скорости разлета космических тел оставались бы, очевидно, постоянными; но тогда расстояния и длины изменялись бы просто пропорционально времени.

Дипольная анизотропия реликтового излучения: движение сквозь Вселенную

Дипольная анизотропия реликтового излучения: движение сквозь Вселенную

В действительности же расширение всегда происходит медленнее, чем по закону прямой пропорциональности времени. Если мысленно выделить во Вселенной шар, образуемый данными частицами, то его радиус будет возрастать со временем по закону, о котором мы сказали. Полная масса частиц (точнее, их масса покоя) не меняется в ходе космологического расширения. Суммарная же масса фотонов, т. е. полная масса излучения, убывает обратно пропорционально радиусу шара. Плотность вещества падает, изменяясь обратно пропорционально объему шара, т. е. кубу его радиуса. По тому же закону изменяется и концентрация фотонов, заключенных в шаре. В соответствии с этим отношение массы (плотности) излучения к массе (плотности) вещества убывает при расширении обратно пропорционально радиусу шара и вообще всем расстояниям и длинам во Вселенной. В течение всей эпохи преобладания излучения вещество Вселенной было таким горячим, что электроны тепловыми движениями были оторваны от ядер. Нейтральные атомы не могли тогда существовать, и космическая среда находилась в состоянии полной ионизации, в состоянии плазмы.
    В первые мгновения космологического расширения, в первые доли секунды после его начала температура среды превышала сотни миллиардов градусов, и в этом горячем 'котле' достигалось термодинамическое равновесие, устанавливались сохранившиеся и до настоящего времени соотношения между составляющими космическую среду частицами и квантами. Помимо фотонов, в этом равновесии с веществом находился еще газ нейтрино, которых было по числу почти столько же, сколько и фотонов. Как и фотоны, нейтрино должны 'дожить' и до современной эпохи, и хотя они непосредственно не регистрируются, нет никаких сомнений, что реликтовые нейтрино действительно существуют. Согласно одной из гипотез, именно они и составляют 'скрытую массу', проявляющую себя в динамике галактик и скоплений галактик. При указанных высоких температурах не могли существовать не только нейтральные атомы, но даже и сложные атомные ядра; среда представляла собой смесь элементарных частиц, таких как нейтроны, протоны, электроны, нейтрино, фотоны и т. д. Тепловые движения не позволяли нейтронам и протонам соединяться и связываться ядерными силами, а случайно возникавшие ядра немедленно разбивались налетающими на них частицами. Но в ходе расширения температура среды падала, и образование ядер стало возможным через 3-5 минут после начала расширения, когда температура снизилась до значения в несколько миллиардов градусов. Одно из самых значительных достижений космологии - теория образования химических элементов в ранней Вселенной, или, как ее еще называют, теория первичного нуклеосинтеза. Оказывается, что большая часть протонов осталась свободной, и не вошедшие в сложные ядра протоны определили общее космическое содержание водорода - самого легкого атома, ядром которого является протон. Водорода во Вселенной 70-75% по массе. Следующий за водородом элемент таблицы Менделеева, гелий, вобрал в себя почти все оставшиеся протоны и равное им число нейтронов (в ядре основного изотопа гелия, гелия-4, содержится два протона и два нейтрона), по массе гелия около 25-30%. Другие ядра - ядра тяжелых изотопов водорода (дейтерия и трития), легкого изотопа гелия (гелия-3), а также таких легких элементов, как литий, бериллий, бор - образовались в количествах, не превышающих сотые доли процента. Более тяжелые ядра в этом процессе, продолжавшемся около четверти часа, не могли образоваться; они возникли гораздо позднее при ядерных реакциях в недрах звезд. Соотношение между водородом и гелием, указываемое космологической теорией образования элементов, находится в очень хорошем согласии с астрономическими данными о химическом составе атмосфер самых старых звезд, где, как можно полагать, преобладает 'первичное' вещество, из которого эти звезды образовались.
    Нужно сказать, что первые расчеты космологического нуклеосинтеза были сделаны еще в конце 40-х годов, задолго до открытия реликтового излучения. Из условия согласия результатов с наблюдательными данными о космической распространенности водорода и гелия удалось тогда предсказать ожидаемую температуру современных реликтовых фотонов; по оценкам Г. А. Гамова выходило, что она должна лежать между одним и десятью Кельвинами выше абсолютного нуля. Действительная температура, 3 кельвина, на самом деле находится в этом интервале. После образования гелия и малой примеси других легких ядер эволюция космической среды происходила без изменения ее состава; только соотношение между плотностями излучения и вещества постепенно менялось в пользу последнего. Падала и температура, убывая обратно пропорционально всем расстояниям и длинам, т. е. по тому же закону, что и отношение плотности излучения к плотности вещества. При возрасте Вселенной около одного миллиона лет температура снизилась до значения в три тысячи Кельвинов, и тогда произошла рекомбинация космической плазмы; электроны и протоны, прежде разделенные их тепловыми движениями, объединились теперь в нейтральные атомы водорода. Несколько ранее произошла и рекомбинация гелия - ядра гелия, присоединив по два электрона, образовали нейтральные атомы гелия. Превращение ионизованной среды, первичной водородно-гелиевой плазмы, в газ нейтральных атомов приблизительно совпадало по времени - неизвестно, случайно или нет - с переходом от эпохи преобладания излучения к эпохе вещества.

Если до рекомбинации излучение и ионизованное вещество взаимодействовали между собой благодаря электромагнитным силам и находились между собой в термодинамическом равновесии, то после рекомбинации взаимодействие излучения с нейтральным веществом было уже невозможно. Прекратилось и состояние равновесия между ними, так что в дальнейшем вещество, остывая при космологическом расширении быстрее, чем излучение, имело уже иную, более низкую температуру, чем газ фотонов; а фотоны именно после рекомбинации и превратились, собственно, в реликтовые, остаточные. Вслед за рекомбинацией во Вселенной начался процесс формирования структур.

---